Diseño e implementación de un robot móvil con Control de trayectoria mediante principios odométricos

Abstract

El presente trabajo de tesis consiste en el diseño e implementación de un robot móvil de tres grados de libertad, capaz de controlar su posición y trayectoria en un plano cartesiano, además de posicionarse en lugares definidos por el usuario. El objetivo del proyecto es controlar el movimiento del robot, manipulando su traslación y rotación de manera precisa y eficiente.

El móvil utiliza dos motores acoplados a llantas para su locomoción, estos motores están colocados en una configuración diferencial, haciendo que el desplazamiento y la rotación sobre su eje sea mucho más eficiente. El robot cuenta con un sistema de medición basado en dos encoders incrementales situados a los lados de los motores. Las señales generadas por estos sensores son procesadas por el móvil, el cual hará el análisis cinemático en línea empleando principios de odometría y ecuaciones en diferencia para estimar la posición y orientación relativa del robot. El resultado de esta operación es utilizado en el algoritmo de control, que consiste en dos controladores PID (proporcional, integral y derivativo) discretos [1]. El primero controla la orientación del robot, asegurando que se posicione en el ángulo correcto antes de iniciar su movimiento y durante el recorrido lineal para que el móvil no se desvíe de su trayectoria. El segundo controlador PID regula la posición lineal del robot en función de las coordenadas iniciales y finales de la trayectoria trazada. Este recorrido es planificado en línea en función a las coordenadas de puntos predefinidos en la lógica de generación de trayectorias.

El robot es monitoreado en tiempo real por una computadora que a través de una interfaz gráfica desarrollada en Java permite observar los parámetros de control en cuadros de texto y gráficas dinámicas. Además, permite el envío de comandos pre configurados y secuencias de trayectorias lineales. Para establecer la conexión entre el robot y la PC se utilizó comunicación serial asíncrona bajo el estándar RS-232 y utilizando el protocolo UART. La unidad de procesamiento para la implementación de lógica y algoritmos de control fue un dsPIC30F4011 [2] (controlador digital de señales), ya que posee una alta velocidad para el procesamiento de señales y operaciones matemáticas de punto flotante. Además, cuenta con módulos especializados para el control de motores y comunicación serial, haciendo que la programación sea mucho más eficiente.

Al finalizar la implementación del robot, este mostró muy buenos resultados durante las pruebas cumpliendo con los algoritmos de control de rotación y traslación, así como el monitoreo y control desde la PC. Uno de los principales aportes de este trabajo es que se demostró poder tener un control eficiente y preciso de un robot móvil empleando únicamente 2 encoders como sistema de medición.

--- The present thesis consists in the design and implementation of a mobile robot of three degrees of freedom, able to control their position and trajectory in a Cartesian plane, besides being positioned in user-defined locations. The objective of the project is controlling the movement of the robot, manipulating its translation and rotation accurately and efficiently. The robot uses two motors coupled wheels for locomotion, these engines are placed in a differential configuration, causing the displacement and rotation on its axis much more efficient. The robot has a measurement system based on two incremental encoders situated on the sides of the engines. The signals generated by these sensors are processed by the robot, which will do a kinematic analysis in line using odometry principles and difference equations to estimate the relative position and orientation of the robot. The result of this operation is used in the control algorithm, which consists of two discrete PID controllers (proportional, integral and derivative). The first controls the orientation of the robot, ensuring that it is positioned at the correct angle before starting its motion and during the linear path in order to the robot does not deviate from its trajectory. The second linear PID controller regulates the position of the robot according to the initial and final coordinates of the traced path. This trajectory is planned in line according to the coordinates of the predefined points in the logic of paths generation. The robot is monitored in real time by a computer through a graphical interface developed in Java, which allows observing the control parameters in dynamic text boxes and graphics. Additionally, allows sending pre-configured commands and sequences of linear trajectories. To establish the connection between the robot and the PC, it has used serial asynchronous communication under the RS- 232 standard and using the UART protocol. The processing unit for the implementation of logic and control algorithms was a dsPIC30F4011 (digital signal controller), as it has a highspeed signal processing and floating point math operations. It also has specialist modules for motor control and serial communication, making programming much more efficient.

After the implementation of the robot, this showed very good results during testing, compliance with the rotation and translation control algorithms, as well as monitoring and controlling from the PC. One of the main contributions of this work is that it showed that you could have an efficient and accurate control of a mobile robot with three degrees of freedom using only two encoders as a measurement system.